Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

ний или разрушением деталей. При выбранной, исходя из усло­ вия эксплуатации, оптимальной долговечности предельные перемещения детали должны достигаться за время, соответ­ ствующее оптимальной долговечности.

Старение деталей машин, их несущая способность и проч­ ность при переменной нагруженности зависят от концентрации напряжений, абсолютных размеров, свойств материалов и каче­ ства поверхностного слоя деталей, окружающей среды и дру­ гих факторов. Металлографические, рентгеновские и исследова­ ния, выполненные с помощью электронных микроскопов, позволили открыть ряд новых явлений, сопровождающих повторную деформацию и последующее (часто внезонное) раз­ рушение материалов под действием повторных нагрузок. Это явление называется пределом выносливости металлов. Субми­ кроскопические трещины усталости образуются на ранней стадии деформирования, после числа циклов, составляющего 10—20% общей долговечности. Видимая трещина образуется незадолго до окончательного разрушения детали. С помощью методов дефектоскопии в ряде случаев можно контролировать величину и скорость распространения трещин в деталях машин и определять пределы безотказной работы при медленно разви­ вающихся трещинах усталости.

Обычно 70—90% общего числа циклов, необходимых для разрушения детали при неизменной амплитуде напряжений, деталь работает без видимой трещины, и только в оставшиеся циклы развивается трещина, приводящая к излому детали.

Взависимости от величины переменных напряжений изменения

вматериале детали происходят различными темпами и число циклов повторения напряжений до разрушения оказывается тем меньше, чем выше напряжения. В тех случаях, когда происходят изменения свойств материала детали в условиях эксплуатации под действием высоких или низких температур, коррозии и дру­ гих факторов, сопротивление усталости может резко измениться.

Материал для деталей машин выбирают с учетом ряда фак­ торов и в первую очередь степени и условий нагружения дета­ лей. На статическую прочность работает сравнительно мало деталей. К ним относятся детали с большой начальной затяж­

кой (большинство крепежных болтов, заклепок, детали котлов и резервуаров высокого давления). Допускаемое напряжение при статической нагрузке, как правило, выбирают в зависимости от предела текучести (для хрупких материалов — от предела прочности).

Большинство деталей современных машин работает при переменных циклических нагрузках (валы, оси, зубчатые коле­ са, крепежные винты, пружины и др.). Предел выносливости при переменной нагрузке возрастает медленнее, чем предел прочно­ сти, вследствие изменения эффективного коэффициента концен­ трации, напряжений и коэффициента влияния абсолютных раз-

а коэффициент влияния абсолютных размеров — в 1,1—1,15 ра­ за. Следовательно, при повышении предела прочности в 3 раза предел выносливости повышается примерно в 2 раза. При напрессовках эффективный коэффициент концентрации напряже­ ний этих сталей при изгибе повышается почти в 1,9 раза, следо­

применять материалы с высокими механическими характеристи­ ками. Детали, основным критерием работоспособности которых является контактная прочность (например, подшипники и на­ правляющие качения, зубчатые и фрикционные передачи, шарниры цепей, роликовые муфты и патроны), следует изго­ товлять из материалов, позволяющих упрочнять рабочие поверх­

подвергнутые улучшению до твердости НВ 240, заменить цемен­ тованными H закаленными до твердости HRC 60, то линейные размеры таких колес можно уменьшить на 30%, а общий вес редуктора снизить в 2 раза.

Применение легированных материалов для изготовления деталей, работающих в условиях низких и высоких температур и коррозионных сред, обеспечивает значительную экономию материала и повышает технико-экономические показатели со­ временных машин.

Применение высокопрочных и легированных материалов для изготовления деталей, работоспособность которых определяется

ние разрыву при обычных испытаниях при статическом

с Ств = 26 кгс/мм2— 14,5, а титановый сплав с ав = 100 кгс/мм2 имеет удельную прочность 22, т. е. в 1,5 раза большую, чем хро­ моникелевая сталь. В результате замены стали титановым сплавом можно при равной расчетной прочности получить эко­ номию в весе до 40%, чего не дает применение дуралюмина или магниевого сплава.

При применении в машинах сильно корродирующих искус­ ственных топлив, а также при усложнении характера эксплуа­ тации необходимо обеспечить достаточную коррозионную

Рис. 63. Зависимость свойств металла от температуры:

а — изменение ударной вязко­ сти; б — изменение пластично­ сти (/ — хрупкий металл; II — зона разброса; III — пластич­ ный металл)

усталостную прочность и стойкость при очень высоких темпе­

двигателей и т. п.). Это обусловливает необходимость нанесения на поверхность металла специальных теплостойких покрытий (керамических, окиси алюминия, вольфрама, молибдена и др.), прочно связанных с поверхностью основного металла. Сцепле­ ние покрытий с основным материалом детали происходит вслед­ ствие молекулярного сцепления обоих материалов и взаимной молекулярной диффузии их.

Важное значение для повышения долговечности и надежно­ сти имеет выбор запаса прочности деталей машин. В настоящее время определяют не только допустимые расчетные напряже­ ния, применяя соответствующие коэффициенты запаса прочно­ сти, но и учитывают различные факторы — конструктивные, расчетные, технологические, материаловедческие и др.

Для решения проблемы повышения надежности машин, предназначенных для работы при низких температурах, в первую очередь необходимо повысить хладностойкость дета­ лей и сборочных единиц, изготовленных из различных материа­ лов. Основным критерием работоспособности металлоконструк­ ций и деталей механизмов является способность стали к пласти­ ческой деформации. Эта способность неодинакова при различных температурах и резко снижается в области отрица­ тельных температур (рис. 63).

Резкое понижение пластических свойств стали или ее ударной вязкости в области отрицательных температур получи­ ло название хладноломкости. Различают верхнюю Гкі и ниж­ нюю Тк2 температуры хрупкости. Опыт эксплуатации машин при низких температурах позволил сделать вывод о целесооб­ разности использования для характеристики металла верхней температуры хрупкости, так как при Гкі на разрушение металла меньше влияют различные случайные факторы (например, осо­ бенности плавки, надрезы и т. п.). Температурные границы появления хладноломкости стали зависят от ряда внешних и внутренних факторов. К внутренним факторам относятся химический состав стали и ее структурное состояние, определяе­ мое способами выплавки, механической и термической обработ­ ки, а к внешним — конструктивное оформление детали, условия деформирования, характер напряженного состояния.

Исследования, проведенные ВНИИСтройдормашем совмест­ но с Сибирским отделением АН СССР [41], позволили выявить характер зависимости ударной вязкости от температуры для металла, из которого изготовлены отдельные детали землерой­ ных машин. Хладностойкость металла многих деталей оказалась неудовлетворительной даже при положительных температурах. Металлоконструкции бульдозера, изготовленные из кипящей стали СтЗкп, разрушались при температуре—15° С вследствие низкого содержания марганца. Разрушение натяжного винта из стали 35 произошло в результате того, что заготовка, сильно перегретая при ковке и прокатке, не была подвергнута улучше­ нию. Зубчатое колесо из стали 40Х разрушилось ввиду отрица­ тельного влияния углерода на ударную вязкость. Литая металлоконструкция из стали 35Л не проходила термической обработки и пришла в негодность при температуре —20° С. При температуре ниже —30° С не рекомендуется применять для проката и поковок стали, ударная вязкость которых при темпе­

обыкновенного качества в условиях низких температур не всегда

ниж е—20° С можно незначительно улучшить, применяя терми­ ческую обработку при режиме улучшения: нагрев до температу­

ломкости у стали МСтЗ сдвинута в зону более низких темпера­ тур, запас вязкости больше, чем у стали СтЗкп. Сталь МстЗ

после термической обработки по режиму улучшения может быть использована при температуре —60° С.

Ударная вязкость стали Ст5 значительно увеличивается после закалки с высоким отпуском, однако в связи с тем, что эта сталь не обладает хорошей прокаливаемостью даже после термической обработки, ее нельзя рекомендовать для изготовле­ ния деталей большого сечения.

Углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050-—60) имеют хладностойкость выше, чем стали обыкновенного качества.

ударной вязкости

■120-60-^0 О W fiO °С

6)

ного качества для изготовления машин, работающих при темпе­ ратуре до —60° С, применяя как обязательную термическую обработку нормализацию. Сталь 10 содержит меньше углерода, чем сталь 20, имеет лучшие механические свойства при отрица­ тельных температурах, что свидетельствует о сильном влиянии на хладностойкость содержания углерода в стали (рис. 64). Лучшим режимом термической обработки этих сталей является улучшение. Сталь 45 обладает повышенной прочностью и сред­ ней вязкостью. При температуре —60° С она имеет удовлетво­ рительную хладностойкость только после термической обработ­

нение стали 45 в горячекатаном или отожженном состоянии для изготовления деталей, от которых требуется повышенная хлад­ ностойкость, недопустимо. Сталь 45 можно применять для изготовления деталей машин, работающих при температурах до —60° С, только после закалки при 850° С с отпуском при темпе­ ратуре 600° С с охлаждением на воздухе.

По сравнению с углеродистыми сталями низколегированные стали имеют более высокие эксплуатационные свойства.

зависит от изменения химического состава стали в ограничен­ ных маркой пределах, а также от размеров сечений проката, поковки или отливки. Стальное литье, так же как прокат и по­